数码管循环数字显示器.docx
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数码管循环数字显示器
成绩
课程设计说明书
课程设计名称：
电子技术课程设计
题目：
数码管循环数字显示器
学院：
电气与电子信息学院
学生姓名：
专业：
电气工程及其自动化
学号：
指导教师：
日期：
2016年7月4日
数码管循环数字显示器
摘要：
本次课程设计是以电子技术为基础的数码管循环数字显示器，该设计实现了循环显示0~9十个数字。
电路主要是以四个数字集成电路和一个七段共阴数码管构成。
555定时器构成多谐振荡器作为电路的脉冲发生器，74LS161和74LS00中的一个与非门构成的计数器，实现对脉冲的计数和循环，最后是由74HC4511七段数码显示译码器和七段共阴数码管构成的译码显示部分，将电路的运行结果通过数码管显示出来。
关键词：
循环显示，555定时器，多谐振荡器，计数器，译码显示
Abstract：
Thecurriculumdesignisbasedonelectronictechnologydigitaltubedigitaldisplay,alsodesignedtorealizethecirculationdisplay0~9.Mainlyfourdigitalintegratedcircuitandasevensegmentdigitaltube,atotalofYin.Compositionmultivibratoras555timercircuitofthepulsegenerator,anandgatein74LS00and74LS161counterthatimplementationofpulsecountandcycle,thelastismadeupof74HC4511sevendigitaldisplaydecoderconsistingofsevensegmentdigitaltube,atotalofYindecodingdisplaysection,todisplaycircuitoperationresult.
Keywords：
SCAN，555timer，multivibrator,counter,codingdisplay
1前言............................................1
1.1设计背景......................................1
1.2设计目标......................................1
1.3实施计划......................................1
1.4必备条件......................................2
2总体设计方案....................................3
2.1方案比较......................................3
2.2方案选择.........................................4
3单元模块设计......................................5
3.1各单元模块介绍及电路设计......................5
3.2特殊器件的介绍................................9
4系统调试.......................................15
4.1调试环境.....................................15
4.2硬件调试.....................................16
5结论...........................................18
6致谢...........................................19
7参考文献.......................................20
附录...........................................21
1前言
当代电子技术的迅速发展，为人们的文化物质生活提供了优越的条件，数码摄像机，家庭影院，空调，电子计算机等，都是典型的电子技术应用实例，可谓琳琅满目，异彩纷呈。
电子技术在科技领域的应用，更是起了龙头作用，例如通信工程，测控技术，空间科学等比比皆是。
各种电子设备的应用使得人们生活在了信息的海洋，人们每天通过各种方式获取大量信息。
而现代信息的储存，处理和传输越来越趋于数字化。
在人们的日常生活中，常用的计算机，电视机，音响系统，视频记录设备，长途电信等电子设备或电子系统，无一不采用数字电路或数字系统。
因此，数字电子技术的应用越来越广泛。
本设计数码管循环数字显示器是采用数字电路对0~9进行循环计数，这只是一个简单的数字电路，但其思想应用于数字电路或数字系统的各个方面，如时钟，计数器，倒计时器等等。
1.1设计背景
随着科学技术的发展，电子产品的普及，电子技术在日常生活，科学研究等各个方面的应用越来越广泛。
电子技术在国民经济中占据着越来越重要的作用，作为电气工程及其自动化的学生应该熟练掌握电子技术的各方面知识。
在学习过数字电子技术，模拟电子技术和完成相关实验的的基础之上，应该对电子技术进行系统的整理。
所以我选择了数码管循环数字显示器这个题目作为课程设计的题目。
数码管循环数字显示器采用了555定时器，74LS161,74HC4511，共阴数码管等电子元件。
若要完成设计需要熟练掌握模拟电子技术，数字电子技术，系统的运用相关知识，通过完成设计培养我们对电子电路的综合分析设计能力。
1.2设计目标
数码管循环数字显示器主要是以四个数字集成电路和一个七段共阴数码管构成以及相关器件构成，实现0~9十个数字的循环输出。
（1）用555定时器构成一个多谐振荡器作为脉冲发生器模块。
（2）用74LS161和74LS00中的一个与非门构成计数模块，同时实现循环功能。
（3）用74HC4511和七段共阴数码管构成译码显示模块。
1.3实施计划
（1）根据所选课题，收集相关方面的知识，分析题目要求和设计目标，设计出合理的电路图。
（2）将设计出的电路图分成几个小的模块，并对每个模块进行深入分析，了解各个元器件的功能结构。
（3）用proteus软件画出电路图进行仿真调试，对不合理的地方进行修正。
（4）用AltiumDesigner软件画出原理图，并正确画出完整的PCB图；
（5）写出完整、详细的课程设计说明书。
1.4必备条件
（1）所需器件：
555定时器1片74LS1611片74LS001片七段共阴数码管1个74HC45111片电阻若干电容若干排针
（2）软件：
proteus7.8AltiumDesigner14
2总体设计方案
首先通过对设计题目和设计要求的分析，把总体设计分解为数个小部分。
通过查询相关技术资料和结合自己所掌握的知识，对每一部分进行设计，使其实现部分要求，最后将各个部分有机的结合在一起，实现最终的设计目标。
符合要求的设计方案有两种，通过对两种方案的分析，选出最合适的设计方案。
2.1方案比较
通过分析，我们构思出了两种方案均可实现设计目的。
两种方案各有优劣，再通过下面的介绍完成方案的选择。
2.1.1设计方案一
设计方案一框图
图2-1方案一框图
方案一：
由555定时器构成的多谐振荡器作为电路的脉冲发生器，脉冲发生器所产生的脉冲作为计数器的CP脉冲。
计数部分主要由74LS161和74LS00中的一个与非门构成，计数部分对脉冲发生器产生的脉冲进行计数，并且采用同步置数的方式来实现循环。
计数部分产生的结果进入有74HC4511和数码管构成的译码显示部分，最后电路的运行结果显示在数码管上。
2.1.2设计方案二
方案二框图
图2-2方案二框图
方案二：
由555定时器构成的多谐振荡器作为电路的脉冲发生器，脉冲发生器所产生的脉冲作为计数器的CP脉冲。
然后脉冲进入由四个JK触发器构成的计数器，计数器输出结果进入74HC4511译码，最后译码结果进入共阴七段数码管显示出来。
用JK触发器构成十进制计数器，计数器的计数周期为0~9，通过异步清零完成循环。
2.2方案选择
方案选择：
方案一和方案二最主要的区别在于计数部分的不同，方案一是直接用74LS161来实现对脉冲的计数，同是直接用75LS161上面的反馈置数功能实现循环；方案二是用四个JK触发器充当电路的计数部分，通过相关反馈手法实现循环功能。
两种方案均能实现设计目标，但方案一与方案二相比较，方案一采用的方法更简洁，使用的器件更少。
因此，通过方案一完成本设计。
3单元模块设计
在本节主要对各个单元模块进行分析，包括各个单元模块的具体功能，电路结构，工作原理，以及各个单元模块之间的相互联系。
再设计各个单元模块的计算时会对其中的计算进行说明，之后再对本设计所采用的核心器件进行简要说明。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
本设计主要由三个单元模块组成：
时钟脉冲模块、计数模块、译码显示模块。
下面对各个单元模块的具体功能，组成，工作原理进行说明。
3.1.1时钟脉冲模块设计
1、模块的具体功能
时钟脉冲模块是由555定时器构成的多谐振荡器充当的，多谐振荡器能够产生符合要求的矩形脉冲波。
通过计算我们可以确定多谐振荡器输出矩形波的周期，这样也就能够确定显示器的显示时间间隔。
2、模块的组成和工作原理
图3-1（a）为由555多谐振荡器图。
555多谐振荡器主要由ne555和电阻、电容构成。
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。
由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。
在接通电源后，不需要外加脉冲就能自动产生矩形脉冲。
多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。
在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。
555定时器构成的多谐振荡器如图3-1（a）所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。
这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。
充电时间常数T充=（R1＋R2）C。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。
为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。
不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。
电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。
图3-1（b）所示为工作波形。
图3-1（a）555多谐振荡器图图3-1（b）工作波形图
3、模块的结构框图
图3-2555内部结构图及引脚图
4、模块的具体电路
图3-3555多谐振荡器图
5、相关参数计算
高电平时间，即充电时间，满足如下公式：
T1=0.693*（R1+R2）*C
低电平时间，即放电时间，满足如下公式：
T2=0.693*R2*C
振荡周期满足如下公式:
T=T1+T2=0.693*（R1+2*R2）*C
振荡频率:
f=1/T
因为R1=100Ω，R2=72KΩ,C=10uF所以：
T=1s,f=1HZ
3.1.2计数模块设计
1、模块的具体功能
计数模块的功能是对脉冲发生器所产生的脉冲进行计数，并实现循环。
2、模块的组成和工作原理
模块的组成：
74LS161,74LS00
工作原理：
74LS161能够对脉冲发生器所产生的脉冲进行计数，每接收到一个脉冲信号，74LS161输出结果增加一，利用74LS161的反馈置数功能实现周期循环计数，计数范围为0~9.
3.模块的具体电路
图3-4计数模块仿真图
3.1.3译码显示模块设计
1.模块的具体功能
本模块由74HC4511和七段共阴数码管构成，74HC4511对计数模块的输出结果进行译码，译码之后由七段共阴数码管显示出来。
2.模块的组成和功能原理
模块有七段显示译码器74HC4511和共阴七段数码管组成。
74HC4511能对二进制码进行翻译，使得数码管显示出相应的数字。
3.模块的组成框图
图3-5译码显示模块框图
4.模块的具体电路
图3-6译码显示模块仿真图
3.2特殊器件的介绍
3.2.1555定时器器件介绍
1.555定时器的电路结构与工作原理
图3-7555定时器结构图
2.引脚说明
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
3.555定时器功能表
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。
表3-1
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
x
x
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
x
保持上一状态
保持上一状态
1
0
1
0
1
1
0
导通截止
置1
清零
4.555定时器的应用
（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
3.2.274Ls161器件介绍
1.74LS161引脚图
图3-874LS161管脚图
2.74LS161管脚介绍
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
3.74LS161功能表
表3-2
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
3.2.374HC4511器件介绍
1.74HC4511引脚图
图3-974HC4511管脚
2.74HC4511管脚介绍
A0~A3：
二进制数据输入端CD4511引脚图
/BI：
输出消隐控制端
LE：
数据锁定控制端
/LT：
灯测试端
Ya~Yg：
数据输出端
VDD：
电源正
VSS：
电源负
3.74HC4511真值表
表3-3
3.2.4.七段共阴数码管器件介绍
1.七段共阴数码管引脚图
图3-10七段共阴数码管引脚图
4系统调试
本节主要对时钟脉冲发生器、计数模块进行了仿真和调试，达到了预期设计功能。
4.1调试环境
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
1．原理布图
2．PCB自动或人工布线
3．SPICE电路仿真
革命性的特点
1．互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
2．仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境.
4.2硬件调试
1.时钟脉冲发生器模块调试
调试方法：
在时钟脉冲发生器输出脉冲端与示波器一个探头相连接，打开示波器，把图像调节到视野中央，观察频率调节旋钮上的示数，并数示波器面板上波形所占的格数。
调试结果：
由示波器显示得到，时钟脉冲发生器发出频率为1HZ的矩形波。
调试过程示波器显示：
图4-1时钟脉冲示波器显示图
2.计数模块调试
计数模块主要由74LS161和74LS00中的一个与非门构成，实现对脉冲的计数和计数过程中的循环功能。
调试方法：
将74LS161的输出端Q3~Q1按从高位到低位的顺序与四个发光二极管相连，电路开始运行，观察四个发光二极管的变化规律。
调试结果：
在电路运行时观察到，发现二极管共有十个状态，将发光二极管的状态翻译成二进制表达方式，分别表示0~9十个数，并且是以这十个状态循环输出。
3.译码显示模块调试
译码显示模块部分主要由74HC4511和七段共阴数码管构成，对译码显示部分的调试即为对整个电路进行调试。
调试方法：
使电路运行，时钟脉冲发生器正常产生脉冲，观察数码管的显示状态。
调试结果：
电路正常运行时，数码管显示器循环显示数字0~9十个状态。
5结论
该设计用的是Proteus仿真软件的验证了理论分析结果的正确性。
此次课程设计，目前基本达到了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：
整个电路由多谐振荡器构成脉冲发生器产生脉冲，然后由74LS161和74LS00的一个与非门构成计数部分对脉冲进行计数，计数部分产生的结果为二进制形式，进入由74HC4511七段显示译码器和七段共阴数码管构成的显示部分。
数码管显示情况为，循环显示0~9十个数字。
所以该设计完成了设计目的，达到了预期效果。
在整个设计过程中为了使自己的构想得到实现，需要查阅很多资料和明晰模糊的理论知识，在这过程中让自己更加系统的掌握了设计所涉及的知识点。
通过完成设计，使得在模拟电子技术和数字电子技术学到的知识形成了一个系统，在脑海中有了清晰的脉络，更加深刻的掌握了相关知识点。
在查阅找资料的同时弥补了很多课堂学习中的空白，更加完善了知识系统。
整个课程设计是理论与实践的结合，在这个过程中我们更加深刻的掌握了数模电知识。
同时在设计过程中，使得我明白理论的重要性，只有熟练掌握理论知识在设计时才能做到有的放矢，达到事半功倍的效果。
用自己掌握的理论知识来完成设计，让自己很有成就感，极大的激发自己进一步学习电子技术的兴趣。
6谢辞
首先要感谢夏焰坤老师，在夏老师的指导下我完成了自己的课程设计。
其次是和我一同完成作品的伙伴，在整个设计过程中我们相互鼓励，共同面对困难，共同解决困难。
同时要感谢在遇到困难时帮助我的同学，他们给予我正确的建议和解决困难的合理方案。
7参考文献
[1]康华光.电子技术基础数字部分第五版[M].北京：
高等教育出版社，2015
[2]陈永强、魏金成、吴昌东.模拟电子技术[M].人民邮电出版社,2013
[3]陈明义.电子技术课程设计实用教程[M].中南大学出版社，2015.7
[4]
[5]
[6]
[7]
附录
附录1原理电路总图
附录1-1原理电路总图
附录2电路的PCB图
附录2-1电路的PCB图
附录3设计仿真图
附录3-1设计仿真图
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